花崗巖風化殘留體地震法探測應用研究

李 洋，黨如姣，朱培民，楊克斯，范 ?。?中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南洛陽 47009；.中國地質大學（武漢），湖北武漢 40074；.中國地質大學（北京），北京 0008）

花崗巖風化殘留體地震法探測應用研究

李 洋1，黨如姣1，朱培民2，楊克斯2，范 俊3
（1.中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南洛陽 471009；2.中國地質大學（武漢），湖北武漢 430074；3.中國地質大學（北京），北京 100083）

摘要：花崗巖風化殘留體會給城市地鐵盾構施工帶來極大的風險，為保證盾構在存在殘留體的地層中順利掘進，需提前探測出其在隧道沿線的分布情況。較之傳統的鉆探探測方法，地震法探測具有環境干擾小、效率高、覆蓋范圍廣且成本低廉的優勢。文章針對南方地區花崗巖地層特征及城區環境特點，對目前常用地震探測方法的適用性進行了試驗研究，認為淺層地震反射法對于孤石探測是行之有效的，采用橫波探測可以提高探測準確度。所得出的結論可供以后孤石探測工作參考借鑒。

關鍵詞：盾構隧道；花崗巖；孤石；地震法；探測

0　引言

我國南方花崗巖發育地區城市地鐵建設中，盾構施工常會遇到花崗巖風化殘留體，俗稱孤石。其形狀各異，隨機分布，大小從幾十cm到幾m，埋深10～30 m，強度可以達到200 MPa以上。孤石會給盾構隧道施工帶來極大風險，盾構機掘進中若遇未探明的孤石，會導致噴涌、塌方、刀盤被卡住或嚴重磨損等多種意外情況，對地鐵施工、環境保護、工期和投資控制造成重大不利影響［1－2］。目前探測孤石的方法主要有地質鉆探和工程物探2類。孤石的發育無明顯規律，埋藏及分布也較為隨機［3］，很難通過地質鉆探探明所有區域的孤石分布情況；同時在城區環境中進行鉆探作業耗時長、成本高且常常會受到場地條件制約難以開展工作。相比于傳統鉆探方法，通過在地面進行工程物探，可以大大節約探測時間和降低成本，且可覆蓋隧道全部施工范圍，因此越來越受到技術人員的青睞。

但目前國內針對物探方法探測孤石的研究較少，而針對地面地震法進行孤石探測的研究和探索更為鮮見，劉宏岳以臺山核電站取水隧洞工程為例，通過現場應用證明地震法進行孤石探測是可行的，并通過鉆孔驗證了物探成果的準確性［4］；徐佩芬等結合深圳地鐵7號線車公廟—上沙段區間二維微動探測孤石試驗表明，二維微動剖面技術探測“孤石”是有效的，微動視s波速度剖面可給出巖土層風化程度的判斷信息，為工

程建設提供地球物理依據［5］。以上研究只針對2種地震探測方法進行了研究，且文獻［4］所結合的工程背景為水下環境，與城區環境截然不同。本文針對南方地區花崗巖地層特征及城區環境特點，對目前常用地震探測方法的適用性進行了試驗研究，為后續相關研究提供參考和借鑒。

1　物探方法的選擇

目前城市地鐵的建設深度一般在20～30 m范圍內，在這樣的埋深范圍內可探明直徑1 m以上的孤石，實際的孤石橫向粒徑與勘探深度之比γ＝0.05～0.03，該比例小于《城市工程地球物理探測規范》中所要求的γ＝0.01。在地面探測的方法中，位場方法（如電阻率法、重力和磁法等）由于分辨率低且實際探測中其橫向粒徑與勘探深度之比多在0.3以上，難以用于孤石勘探；波場方法（如地震法、電磁波法等）的分辨率取決于介質中波的波長，工程中常用的探地雷達技術，可以達到孤石探測的分辨率要求，但由于電磁波在南方城區的淺層含水黏土介質中能量衰減較快，難以達到探測深度的要求；相對地面物探方法來說，井中物探方法能夠更加接近地質目標，有相對較高的分辨率，但鉆井不能高密度布孔，且工作效率低、成本較大。

因此，就目前孤石的深度和勘察條件來說，可選的最佳物探方法是地面地震探測法［6］。在該研究區域內，本文選取波場方法中的地震法進行試驗研究。

2　地面地震探測法基本原理

2.1淺層地震反射波法

淺層反射波法是利用人工激發的地震波在巖土界面上產生反射的原理，對淺層具有波阻抗差異的地層或構造進行探測的一種地震勘探方法［7］。此方法不受地層速度逆轉限制，可以探測高速地層下部的地質情況。淺層反射波法的應用條件有［8］：1）被追蹤對象與其周圍介質應存在明顯的波阻抗差異；2）被追蹤對象應具有一定的大小，且應大于有效波波長的1／4。

孤石一般在花崗巖風化層中較為發育，在東莞某地鐵區間取芯測試結果見表1，孤石（即花崗巖風化殘留體）與周圍的花崗巖風化層存在顯著的波阻抗差異，這為地震法勘探提供了較好的物理背景。

表1　地層及孤石波阻抗測試統計表Table 1 Statistics of wave impedance

地震波的理論探測分辨率主要取決于地震波的波長［9］，從已有的該地區地震資料推算在地層中地震縱波和橫波的基本特征參數為：縱波平均速度約1 300 m／s；橫波平均速度約250 m／s；縱波主頻為200 Hz；橫波主頻為40 Hz。由此估算的地震波長為：縱波波長約6.5 m；橫波波長約6.25 m。由此可見，縱橫2種波長基本相等。根據地震勘探理論，地震信號的橫向（水平）分辨率決定于第一菲涅爾帶半徑

式中：h表示勘探深度；λ為地震波波長。若勘探深度為20 m，由此可以估計在東莞、深圳地區黏土介質中R＝8 m，即在橫向上小于8.0 m的地質體難以區分出它的形狀，但在實際勘探中，可通過反褶積等數據處理方法提高有效信號頻率，從而進一步提高分辨率，同時還可以根據繞射記錄發現小于第一菲涅爾帶半徑、大于1／4波長的地質體。

地震信號的垂向分辨能力取決于地震波長，即大于1／4波長的地質體可以分辨出來，由此可以估計，約1.56 m厚的地質體可以從地震剖面上分辨出來。特殊情況下，1／8波長（約0.78 m）的地質體也能夠清晰分辨出來。

另外，根據地震勘探的基本原理，在勘探深度較淺的情況下，偏移距越小，速度越低，分辨率越高，且SH型橫波不會產生轉換波，波場相對簡單，有利于做出更加準確的分析，故從理論上說橫波勘探要優于縱波勘探，在實際應用中，應優先選擇橫波震源作為地震波的激發震源。

2.2地震面波法探測

地震面波勘探常單指利用Rayleigh波進行勘探。Rayleigh波應用多集中于近地表勘探領域，在工程地質勘察、地質災害檢測與評價等領域中常以有效信號被拾取。

Rayleigh波沿自由界面傳播，在垂直于自由界面方向上呈指數衰減。非均勻介質中Rayleigh波是頻散波?？捎妹娌ㄟM行勘探是因為它具有2個明顯的特征：1）層狀介質中面波具有頻散特性，即相速度隨著頻率（或波長）的不同而改變，且不同頻率反映不同深度范圍內介質的性質［10］；2）面波相速度與橫波速度具有很好的相關性，故可以利用地震面波探測來獲得探測區域范圍內地下的強度分層信息，從而對不同地

層進行劃分［11］。

3　地面地震法探測試驗

3.1地震面波法探測

探測試驗地點位于城市道路綠化帶內，地層為典型的花崗巖風化地層砂質黏土及填土。試驗采用Summit Compact地震儀和10 Hz檢波器，檢波器間距為1 m，炮點間距采用3，6，9 m。采用24通道全排列接收數據，探測成果見圖1。由上述處理結果可知，在橫坐標0～11 m，縱坐標深度18～30 m范圍內存在高速異常，圖中黑色粗線判斷為地層分界線，上下2層速度差異較大；其余部位未發現異常。

通過與鉆孔資料進行對比，發現對于基巖面的判斷與鉆孔資料基本相符，但鉆孔在橫坐標33 m，縱坐標5 m位置處揭示存在的2 m粒徑孤石卻未能探測出來。

圖1　隧道右線某區域地震面波法探測剖面成果圖Fig.1 Detection result of an area of the right tunnel tube by seismic surface wave method

多次試驗表明：地震面波法只能探測出具有一定延伸范圍的基巖面，對于孤立存在的孤石探測效果較差。

3.2地震映像法探測

探測試驗地點位于城市道路綠化帶內，地層為典型的花崗巖風化地層上覆砂質黏土及填土。試驗采用Geode地震儀，偏移距12 m，道間距0.5 m，采樣間隔0.125 ms，記錄長度1 024 ms。圖2為地震映像法探測結果，圖中黃色線條圈示范圍為孤石范圍。通過補堪鉆探，該處孤石埋深16.5～19.5 m，孤石橫向范圍4～5 m。探測結果與鉆孔揭示情況基本一致。

由試驗結果可知，地震映像法探測孤石是行之有效的。通過對地震映像法剖面中同相軸和繞射的識別可以基本確定地下孤石大概位置與規模，但由于縱波法分辨率較低，很難確定孤石具體大小與邊界情況。可以考慮利用橫波法進行進一步探測，或通過鉆孔對孤石進行具體定位。在城市路面條件下地震映像法震源激發容易實現，且探測效率較高。

圖2　縱波地震映像法探測結果Fig.2 Result of Pwave seismic imaging method

3.3地震橫波反射法探測

探測試驗位于城區主干道路上，地層為典型的花崗巖風化地層上覆砂質黏土及填土。Geode地震儀采集，觀測系統采用46道接收，測線長度46 m，道間距1 m，采樣間隔0.5 ms，記錄長度1 024 ms，激發震源采用德國Geosym公司研制的ElViS（20～160 Hz）可控震源，在每個激發點按正負2個方向激發。探測成果見圖3，地質剖面見圖4。

通過對試驗結果與實際鉆孔進行比較發現，探測的微風化殘留體埋深、發育范圍與實際鉆孔揭示情況基本一致。

試驗證明采用地震橫波反射法探測孤石是可行的，但在城市道路上橫波震源激發最好采用特制橫波震源，以盡可能降低干擾，提高探測精度。

圖3　地震橫波反射法探測剖面成果圖Fig.3 Crosssection result of Swave reflection method

圖4　鉆孔地質剖面示意圖Fig.4 Drilling geological profile

4　結論與建議

1）淺層地震反射法對于南方城區花崗巖孤石探測經現場試驗檢驗是適用且有效的，可以大大縮小鉆探盲區，減少孤石風險。

2）地震法探測分辨率有限，適用于沿線孤石群的探測；應用橫波反射法在探測效果上要明顯優于縱波反射法，在條件允許的情況下應盡量采用橫波法探測。

3）在考慮經濟性和效率等因素的情況下，建議在勘查設計階段采用地面地震法進行全線的探測排查孤石發育區域；同時在具備鉆孔條件的重點區域內，建議聯合采用分辨率較高的井中物探方法進行探測聯合解譯，以提高探測精度，降低誤判概率。

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Application of Seismic Method in Detection of Weatheredgranite Boulders

LI Yang1，DANG Rujiao1，ZHU Peimin2，YANG Kesi2，FAN Jun3
（1.Technology Center of China Railway Tunnel Group Co.，Ltd.，Luoyang 471009，Henan，China；2.China University of Geosciences（Wuhan），Wuhan 430074，Hubei，China；3.China University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China）

Abstract：Weathered granite residual usually causes enormous risks to the shield tunneling in urban Metro construction.Therefore，detection must be carried out in advance along the tunnel alignment，so as to ensure the successful driving of shield through the formation with granite boulders.Compared to the traditional drilling method，seismic method has obvious advantages such as less environmental interference，high efficiency，wide coverage and low cost.In the paper，the applicability of common seismic detection methods is studied on the basis of the characteristics of granite formation and urban environment in south China.Conclusion is drawn that the shallow seismic reflection method is effective in boulder detection and that the detection accuracy can be improved by Swave detection.The paper can provide reference for the detection of boulders in future works.

Key words：shield tunneling；granite；boulder；seismic method；detection

作者簡介：李洋（1984—），男，河南新安人，2006年畢業于中國地質大學（北京），土木工程專業，本科，工程師，現從事隧道及地下工程研發工作。

收稿日期：2014－09－16；修回日期：2015－03－25

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：A

文章編號：1672－741X（2015）05－0435－04

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.05.007